1870年、ロード・レイリーは油と水を使って分子の大きさを計算した研究
(atomsonly.news)単一分子の大きさの推定
ベンジャミン・フランクリンとレイリー卿が油と水だけで分子の大きさを計算した方法
- X線が発見され、強力な顕微鏡が発明される何十年も前に、レイリー卿は油、水、ペンだけで単一分子の大きさを計算した
- 彼の着想はベンジャミン・フランクリンに由来する
フランクリンの実験
- 1770年ごろロンドンを訪れたフランクリンは、大西洋横断中に船から油が海に捨てられると波が穏やかになる現象を観察した
- ロンドンのクラパム・コモンの池で少量の油を水に注いで実験を行った
- 油が池の表面に素早く広がり、水を滑らかにすることを確認した
- フランクリンは実験を何度も繰り返し、詳しく記録したが、その分子的な意味は理解できなかった
レイリー卿による再解釈
- ケンブリッジ大学の学者であり物理学者として有名なレイリー卿は、フランクリンの実験を新しい観点から再解釈した
- 1890年、レイリー卿は正確に測定した少量のオリーブオイルを水に落とし、油が広がった面積を測定した
- 油の体積を面積で割って油膜の厚さを推定した
- 油膜が単一分子層であると仮定し、油膜の厚さを1分子の長さとして計算した
レイリー卿の結果
- レイリー卿の計算結果は約1.63ナノメートルだった
- オリーブオイルの主要成分であるトリアシルグリセロール分子の実際の長さは約1.67ナノメートルで、レイリー卿の推定値の誤差はおよそ2%にすぎなかった
- 彼の実験は、単純な道具でも深い科学的洞察を得られることを示している
追加資料
- チャールズ・タンフォードの著書 "Ben Franklin Stilled the Waves" は、この油滴実験の歴史を深く探究している
GN⁺のまとめ
- この記事は、単純な実験道具でも重要な科学的発見ができることを示している
- ベンジャミン・フランクリンとレイリー卿の実験は、科学的好奇心と創造性がいかに重要かを強調している
- この記事は、科学史と実験方法論に関心のある人々にとって有益だろう
- 類似の機能を持つ他のプロジェクトとしては、"Science Experiments You Can Do At Home" などがある
1件のコメント
Hacker News のコメント
1676年、Rømer は木星の衛星 Io の公転時刻を測定して光速を推定した。
地球が木星に近づくときは、Io が木星の背後から少しずつ早く現れ、遠ざかるときは少しずつ遅く見え、1年の間に時刻の差は最大22分まで広がった。
2つの距離の差が分かっていたため、光がその距離を22分で進むと計算し、結果は毎秒22万7000kmだった。実際の値が約毎秒30万kmであることを考えると、かなり見事だ。
ほとんどの人が見落としそうな非常に具体的な観測が、宇宙のはるかに深い性質を明らかにする話はいつも良い。
Eratosthenes が影を使って地球の大きさを数パーセントの誤差内で求めたことも、よく知られた例だ。
https://en.wikipedia.org/wiki/R%C3%B8mer%27s_determination_o...
https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light#First_measureme...
衛星食の時刻を使うもう一つ興味深い点は、Galileo が木星の衛星系を宇宙時計のように使い、時刻、ひいては経度を決める方法を提案したことだ。
木星の衛星食の時刻をあらかじめ精密に計算しておき、陸上や船上での観測と比較すれば、現地時刻と経度を求めることができた。
https://en.wikipedia.org/wiki/Galilean_moons#Determination_o...
望遠鏡と綿密な時刻測定だけで、実際の光速にここまで近づいたというのは驚きだ。
光速はあまりに速いため、既知の物理定数の中で最も精密な値である: 299 792 458 m/s
300,000,000 m/s との差は 7/1000 未満なので、まったく気にするほどではない。
光は1ナノ秒で0.3m、つまり11.802インチしか進まない。
https://www.youtube.com/watch?v=9eyFDBPk4Yw
Millikan と Fletcher の油滴実験を思い出す。この実験は電子の電荷を測定した。
要約すると、微細に噴霧された油滴が空気中で落下する時間を測って体積を求め、既知の電場をかけて滴を空中に浮かせた。
計算された分子あたりの電荷は、より小さな値の倍数付近に集まり、その小さな値が電子1個の電荷だった。
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
まず、似た方式の水滴実験も試みられた。油の代わりに水を使う点を除けば、意図は同じだった。
失敗した理由は、滴を見るために使った明るいランプが水をあまりにも速く蒸発させてしまったからだ。かなり共感できる失敗だ。
この話には、いつもさらに多くの背景がある。
https://www.scribd.com/document/661270387/My-Work-with-Milli... Fletcher & Millikan
https://www.youtube.com/watch?v=B-uWaEvXqbA
結果が 2e や別の倍数ではなかったと、どうやって確信できるのだろうか？
こういう記事は好きだ。科学教育では、法則や理論がただ暗記すべきものとして提示されることがあまりに多かったが、実際にそれらが最初にどのように発見され、解き明かされたのかのほうが、はるかに面白く刺激的だと思う。
生化学経路を大量に学ばなければならなかった記憶はあるが、その経路がそもそもどのように明らかにされたのかは、ほとんど知らないまま学校を出た。
科学理論が最初にどのように発見されたのかを扱った他の記事や本のおすすめも歓迎する。
物理教育を高校で受けたのか大学で受けたのか気になる。アメリカの大学で専攻の関係で物理の授業を1つだけ取ったのだが、電気工学向けの量子電気力学で、教授が教科書を自分で書いていた。
原子理解の基礎、Newton 当時の光の理解、二重スリット実験、Maxwell 方程式、Michelson-Morley のエーテル実験、一般相対性理論の導出と実験的検証、そして一般相対性理論を Newton 力学と電磁気の法則へ分解していく流れまで、各実験を土台からたどってくれたのを覚えている。
人々が第一原理からこうしたことを解き明かしたという事実は、今でも驚異的だ。
まだ読んではいないが、図書館で予約している本で、Reddit で誰かがすすめていたものがある。
How to Make an Apple Pie from Scratch: In Search of the Recipe for Our Universe, from the Origins of Atoms to the Big Bang
https://www.publishersweekly.com/9780385545655
電子電荷の量子化が発見された話も関心に合いそうだ: https://en.wikipedia.org/wiki/Oil_drop_experiment
大学で数百ボルトの直流を使って自分でやってみたことがある。怖くはあったが、データを集めてExcelで分析し、数字がぴたりと合うのを見るのはかなり楽しかった
John BuckinghamのChasing the Moleculeを最近読んだが、とても面白かった
現代化学の歴史を、取っつきやすく、それでいて十分な深さで概観してくれる
化学を大きく前進させたあまり知られていない人物たちや、有名ではあるが誤った理論に固執して、むしろ足を引っ張った人物たちの話もうまく描いている
本自体もかなり短いので、より気軽に読める
よく教えられる内容は、まるで啓示のように与えられ、確実で最終的なものであるかのように、その起源が神秘めいた形で伝えられる。科学をそういう感覚で扱うのはよくない
科学そのものが成立しうる可能性は、何らかの信念の条項の上に置かれていると言えるとしても、科学における個々の発見は実証、実証の解釈、そして解釈された実証を用いた論証の問題である
さらに、静かに大きな役割を果たす作業仮説もあり、この部分は十分に扱われていないと思う
これは、科学活動のかなりの部分が理論的な動機よりも、実用的・実践的な動機や習慣によって動いているという考えも裏づける
本当にその通り。優れた科学教師は、科学的発見の物語が持つ力を理解している
Carl SaganのCosmosと、Richard Feynmanの見事な講義のいくつかが、最も記憶に残る例として思い浮かぶ
よい教師は歴史的・人間的な側面を織り込み、乾いたテーマにも本質的な視点と自然な記憶の手がかりを与えてくれるのだと確信している
「Rayleighは油の体積を、それが覆った面積で割ることで油膜の厚さを推定した。油が分子一層、つまり単分子膜を形成していると仮定すれば、油膜の厚さは油分子1個の長さに等しい。
こうしてLord Rayleighは、そのような分子を誰も見ることができるようになるずっと前に、単一分子の大きさを突き止めた最初の人物となった。」
興味深いが、油が分子1個分の厚さという最小の厚さまで広がると仮定したのは、やはりかなり推測に近かったのではないだろうか？
表面張力のためにもっと厚いまま保たれるかもしれない、という疑いはなかったのだろうか？ それとも、実際に単分子膜であることを示唆する別の手がかりがあったのだろうか？
どれもより低い場所へ行こうとし、油が広がることへの抵抗は、油を平たくしようとする重力に比べて相対的にはるかに小さいのかもしれない
この効果は、膜が平均して分子1個分の厚さ以上から以下へ移るときに変化するはずだ
実験的にこの転移点を特定したうえで、油の体積を使って分子層の厚さを求めることができた可能性が高い
各油分子が四方を他の油分子に囲まれているときの体積が、上に空気、下に水がある状態での体積と同じでなければならない理由はない
なぜこれが成り立つのか説明できる人はいるだろうか？
例えばティースプーン1杯の油は1㎡にも2㎡にもn㎡にも広げられるし、ある時点で膜の厚さはmから1へ、さらに1未満へと変わるはずだ
「油が分子一層、つまり単分子膜を形成していると仮定すれば、油膜の厚さは油分子1個の長さに等しい。」
その油膜が分子1個分の厚さだと、どうやって分かったのだろうか？
とてつもない仮定のように感じるが、このブログ記事が何かを省略しているのかもしれない
ブログ記事はこの点を省いているようだが、リンク先の原論文はかなり短い: https://www.damtp.cam.ac.uk/user/gold/pdfs/teaching/old_lite...
Rayleighの実験は、実際には水面上で樟脳の小片が動くのを止めるのに必要な油の最小厚さを求めようとするものだった
明示されてはいないが、小片の動きを止める最小の厚さとは、油の体積が表面を「かろうじて」覆う状態、つまりどこでも分子1個分の厚さになり、小片が水に触れない状態だという仮定のようだ
表面張力について、もう少し巧妙な点を言っているようだが、その部分は私の理解を少し超えている
大きさの異なる滴で何度も実験すれば、油層が常におおむね同じ厚さになることが分かる
これは説明を要する興味深い観察であり、油層の厚さが分子1個の長さだという仮説は、おそらく最も自然で説得力のある説明だ
もちろん、その次には確認を探す必要がある。歴史的には、何がこれを次に確認したのだろうか？
低摩擦の表面、例えば水の上に置かれた薄い流体は、十分な時間が経てば「できるだけ多く」広がるだろうという直感はある
攪乱要因はありうるが、仮説の中の仮定として置くには合理的に見える
必ずしも「知っている」必要があったわけではなく、仮定でよく、この仮定がそれほど巨大なものだとは感じない
その通り。この実験は実際には、ある特定の方向から分子サイズの上限を与えるものに近い
それでも非常に有用な結果だ
科学者は前に進むために、しばしば仮定を置かなければならない
有名な例としてDarwinは、DNAの物理的本質や、遺伝子がどのように変化して、例えばDNA変異によって適応が生じ、生物がより適応的になるのかという概念を持たなくても、形質が自然選択を通じて遺伝し、それが進化の駆動力であることを突き止めた
学校に科学実験の設計のような科目があればよかったと思う。
古代から続く歴史的に代表的な実験のプロセスを説明し、学生にずっと次のように問いかける授業だ。「この制約条件の下で地球の大きさを推定する実験を、どう設計して実施するか？ フロギストンや光媒体エーテルをどう反証するか？ 光の速度をどう測るか？」
本当に英雄的な仕事で、Michelson は天才だった。
この油/水の実験を1年生の物理か化学の実験室でやったが、急ぎ足で進められ、全員が最低限だけこなし、教師たちもほとんど説明しないまま次へ進んでしまった。
物理実験をきちんと動かすには、細部の記録に執拗でなければならず、強い直観も必要だ。
正解を知らない状態なので、「仮説が間違っている」と「装置が動いていない」を区別できるように実験を設計しなければならない。
たとえば LIGO を初めて稼働させたとき、ほぼ即座に素晴らしいイベントを捉えたが、すぐに祝賀パーティーを開いたわけではなかった。
最初は機械の不具合だと見て無視し、相当な事後分析と相関関係の確認を経て、ようやく実際のイベントだと判断した。
このスレッドのタイトルは間違っているようだ。原文には「Rayleigh が Franklin の観測から直接着想を得て1890年に行った小さな実験は、それほどよく知られていない」とある。
したがって、Rayleigh が分子の大きさを計算したのは1870年ではなく1890年だ。1870年の Rayleigh はまだ若く、独創的な研究で知られてはいなかった。
Rayleigh が分子の大きさを決定する新しい方法を考案したのは事実だが、分子の大きさと重さを初めて成功裏に決定したのは、1865年の Johann Josef Loschmidt だったという点も重要だ。
https://en.wikipedia.org/wiki/Johann_Josef_Loschmidt
Loschmidt が空気分子の重さと大きさを発表したことは、物理学史上最も重要なマイルストーンの一つだ。
1865年以前は、Dalton が復活させた原子論は、化学反応や熱力学の一部の特徴を説明する仮説的モデルと見なすことができ、間違っていたり、より良いモデルに置き換えられたりする可能性も残っていた。
その瞬間から、原子と分子は重さを量り、数えられるものとなり、その実在性はもはや疑われなくなった。
Loschmidt が空気分子の大きさと重さを定めただけで、化学反応から得られ、すでに知られていた相対原子量を使って、他の既知の原子や分子の大きさと重さを定められるようになった。
また数年後の1874年、George Johnstone Stoney は Loschmidt の結果と、1873年に Maxwell が発表した基本電荷の存在理論を併用して、基本電荷の値を計算した。
その後 Stoney はこの基本電荷に “electron” という名前を付け、これは electronics から hadron に至るまで、現代の科学技術における数多くの語の語源となった。
大学の物理の授業の一つで、この実験を再現してみた。
かなり手間はかかり、結果も元の実験ほど良くはなかったが、学ぶことが多く興味深かった。
機材要件は学部の物理実験室レベルで十分妥当だったので、可能なら自分でやってみることを強く勧める。
https://www.atomsonly.news/p/franklin-oil
このドメインが停止された理由：2014年1月以降、Namecheap のようなすべての ICANN 認定レジストラは、ドメインを登録する顧客の連絡先情報、すなわちRegistrant Whoisを確認する必要があった。
連絡先情報の修正もこれに含まれる。